Un quimiostato es un sistema de cultivo en continuo; su operación esquemática es como la que muestra la figura.

Una operación en continuo exige una serie de consideraciones para modelar su comportamiento:.

Mezcla perfecta (sin gradientes de concentración y con agitación turbulenta);.

Flujo de entrada y salida iguales (F1 = F2 = F);.

Volumen de operación constante (volumen de líquido dentro del biorreactor: dV/dt = 0);.

Parámetros constantes de transferencia (temperatura, pH, velocidad de transferencia de oxígeno, etc.).

La operación industrial de un quimioestáto se ilustra en la figura.

Para iniciar un cultivo continuo; el biorreactor o el fermentado debe cargarse previamente con el inóculo del cultivo y luego de que este crece lo suficiente, alimentar el sistema con medio fresco a un caudal F1 y lavar el producto por un rebalse a un caudal F2, de modo que, el volumen se mantenga constante, el tiempo que dure el bioproceso o la fermentación. El caudal de salida F contiene células vivas (X), medio de cultivo con algún sustrato (S) parcialmente agotado (So) y posiblemente algún producto (P). Al alimentar con medio fresco (So) el caudal de entrada (F1), la biomasa (Xo) y el producto (Po) serán iguales a cero para las condiciones de entrada; por lo que, solo se deberá considerar la concentración de sustrato limitante del crecimiento (So) en la alimentación.

Balances y ecuaciones en el estado estacionario.

Teniendo en cuenta estas consideraciones, los balances de materia para X, S y P en el estado estacionario (E.E) serán:.

Balance de biomasa: VdX/dt = -FX + Vrx = –(F/V)X + µX = 0; rX = mX; E.E » dX/dt = 0. Por definición D = velocidad de dilución = F/V » µ = D.

Balance de sustrato: VdS/dt = F (So – S) – Vrs; rs = µX / YX/S; E.E » dS/dt = 0. Por definición: SEE = KsD / µm – D » XEE = YX/S (S0 – S).

Donde: D = velocidad de dilución; SEE = concentración del sustrato limitante de la velocidad en estado estacionario; XEE = concentración de biomasa en estado estacionario.

Balance de producto: VdP/dt = -FP + Vrp = PEE = qPX / D; rP = qPX; E.E » dP/dt = 0.

Donde: PEE = concentración del producto en el estado estacionario.

Nota: cuando el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) es también la fuente de carbono: X = DY´X/S (So – SEE) / (D + msY´X/S).

Modelo cinético Monod para cultivo contínuo

O modelo de crescimento aplicado em sistemas de cultivo contínuo é o modelo cinético Monod: D = µmS / (KS + S) » S = KSD / (µm – D) » X = YX/S [S0 – KSD / (µm – D)].

Taxa de diluição crítica: existe um valor de diluição acima do qual X = 0; Ou seja, há lavagem ou arraste da biomassa acima do valor de equilíbrio que permite o estado estacionário e F2 > F1.

Esse fator é conhecido como diluição crítica (Dc); Dc = µmSo / Ks + Então.

Em condições normais de operação contínua S0 >> KS » DC = µm, portanto, um quimiostato deve funcionar a uma fração de µm. Em termos de crescimento de biomassa isto significa que o quimiostato impõe uma condição selectiva ao crescimento da cultura ou microrganismo.

Formação do produto: PEE = rp/D = qPXEE/D.

Determinação dos parâmetros de crescimento: uma cultura contínua é extremamente útil para determinar os parâmetros de crescimento.

1/D = 1/µm + Ks/µm * 1/VER.

1/D é plotado em função de 1/S, os pontos se ajustam a uma reta cuja intersecção com o eixo 1/D é o valor de 1/µm e cuja inclinação é Ks /µm.

D (Então – VER) / XEE = D / Y´X/S + ms.

O ** enredo de D (So-S) /

A equação de projeto nos dá o tempo de residência (t) da cultura dentro do biorreator.

Para utilizar a equação de projeto, a definição do componente X deve ser modificada e substituída pela conversão X do componente i.

Por definição: Xi = Nio – Ni / Nio Onde: N = moles do componente i. Resolvendo: Ni = Nio (1 - Xi) » dNi/dt = -Nio dXi/dt = riV Portanto, a equação de balanço de biomassa para o estado estacionário torna-se: -FXi + riV = VdXi/dt = 0.

Reorganizados: V/F = ∆Xi / -ri = t = equação de projeto de um reator de mistura perfeita. Onde: t = tempo de permanência da cultura no interior do biorreator; ∆Xi = Xi2 – Xi1 = dXi.

Outro termo comumente usado no projeto de reator é espaço-tempo (τ) que define o tempo necessário para processar ou fermentar no biorreator, um volume de alimentação, medido nas condições de entrada (pressão e temperatura), igual ao volume operacional do biorreator (que define o estado estacionário). O espaço-tempo é obtido dividindo o volume do reator (V) pela vazão volumétrica que entra no biorreator (Q): τ = V/Q.

Observe que, assim como t, as unidades de τ são s-1.

Un cultivo semicontinuo posee una línea de entrada o alimentación (F1). Para iniciar un cultivo alimentado (fed-batch) son válidas las mismas consideraciones que se hicieron para el cultivo continuo; pero, se inicia la alimentación del cultivo cuando el sustrato limitante de la velocidad se ha agotado; esto permite controlar la velocidad de crecimiento, regulando la velocidad de alimentación (caudal); finalmente se debe alimentar el cultivo con medio fresco.

Os respectivos balanços materiais para X, S e P são:.

Nota: nestes casos o volume V permanece dentro do operador diferencial; Isso ocorre porque varia com o tempo.

Se na equação de equilíbrio do substrato a velocidade rs for substituída por rx / Yx/s temos: d (VS)/dt = FSo – 1/Yx/s. d(XV)/dt.

Para controlar a taxa de crescimento (rx) através da taxa de alimentação (F), o substrato (S) deve ser zero em todos os momentos: S = 0 e portanto: d (SV)/dt = 0. Esta condição equivale ao substrato sendo consumido em sua totalidade ao entrar no biorreator; É por isso que se aplica a condição de alimentação fresca. Nessas condições, a equação de balanço de biomassa é transformada em: d (VX)/dt = FSoYx/s e por integração: XV = XeVe + FSoYx/st Onde: Xe e Ve representam a concentração de biomassa e o volume da cultura no início da alimentação.

A variação do volume com o tempo é: V = Ve + Ft.

O critério para dimensionar uma alimentação adequada é obtido pela equação: FSo = VeµXe / Yx/s a equação é válida para qualquer faixa de µ, até µm.

Como critério adicional, especialmente em processos de fermentação, costuma-se selecionar um valor de So o mais alto possível e o oposto de F (relativamente pequeno); para evitar a lavagem da cultura devido à diluição excessiva. No entanto, isto faria com que a duração da cultura (tempo de fermentação) fosse excessivamente prolongada. Para encontrar o equilíbrio, uma solução de compromisso foi desenhada empiricamente: µ = 1 / VX. d (VX)/dt = Yx/sFSo / XeVe + Yx/sFSot.

Equação de projeto de um biorreator semicontínuo ideal

Um sistema de cultivo semicontínuo é um sistema transcendente; isto é, existe um fluxo temporário ou transitório que alimenta ou drena (lava) o sistema. O balanço de massa global que se aplica a um volume de controle (diferencial de volume) para o componente i em um sistema de fluxo semicontínuo é:.

Entra - Sai - Desaparece = Acumula ―› Fi - (Fi+dFi) - (-rxi) dV = 0.

Operando é obtido: - dFi = (-rxi) dV Por definição a conversão do componente i em reatores de fluxo (semicontínuos) é: e Xio, Xif para conversão. Resolvendo a integral obtemos: V/Fio = ∫ dXi/-rxi = t a equação de projeto para um biorreator de fluxo (semicontínuo). A equação é válida quer haja ou não variação na vazão do sistema. Quando uma expressão baseada na concentração é necessária, podemos usar a seguinte equação: Fio = CioQi onde Cio é a concentração do componente i nas condições de entrada e Qi é a vazão volumétrica do componente i. Substituindo: V/Fio = V/QiCio = τ/Cio onde τ é o espaço-tempo do biorreator. Na forma integral: τ = Cio ∫ dXi/-rxi

Para sistemas de densidade constante: τ = - ∫ dCi/-rxi.

Nota: ao comparar a equação de projeto de um biorreator semicontínuo ideal com a obtida para um biorreator ideal descontínuo, observa-se que a diferença é a expressão que leva tempo: t ou t. Num biorreator descontínuo, t representa o tempo de cultura tc e é igual à duração do bioprocesso ou fermentação; isto é, o tempo necessário para que o substrato limitante da taxa se esgote. Em um biorreator semicontínuo (de fluxo), o tempo t corresponde ao equivalente para que a conversão da saída atinja seu valor máximo possível; Ou seja, para que a geração de biomassa ou componente metabólico X atinja seu crescimento máximo (µm) para o mesmo componente i. É por isso que em um biorreator de fluxo o tempo t também é chamado de tempo de residência tr; pois é o momento que a cultura reside dentro do biorreator; que é diferente (maior) do tempo de cultura tc, pois mesmo após o esgotamento do substrato limitante da taxa, a cultura (células ou microrganismos) tem capacidade metabólica para continuar sintetizando metabólitos X ou gerar mais biomassa (crescer); É por isso que incorporam os adjetivos “limitador de velocidade” ao substrato S.

Una sistema de cultivo discontinuo no posee alimentación (F1) o lavado (F2); se carga el contenido del biorreactor (tanda o lote) con el medio de cultivo y luego se inocula con el cultivo (células o microorganismos) y se deja crecer hasta obtener el producto (biomasa o metabolito).

Como F1 = F2 = 0, as equações de equilíbrio são:.

Geração de biomassa: quando a operação descontínua visa gerar biomassa (células ou microrganismos); Supõe-se que nenhum produto é formado e que a relação µ-S pode ser representada pela equação Monod, portanto as equações para balanço de biomassa e equilíbrio de substrato limitante de taxa permanecem:

O sistema de equações tem solução analítica, mas nele X não aparece explicitamente, portanto é de pouca utilidade. Felizmente é possível analisar casos particulares, fazendo algumas suposições. No caso de levar em conta apenas a fase exponencial de crescimento, afirma-se que: S » Ks e as equações são reduzidas às originais, exceto que µ é substituído por µm:.

Dado que sob tais condições o crescimento ocorre no valor máximo possível, integrando a equação do balanço de biomassa com as condições: t = 0,

A equação estabelece que para S » Ks o crescimento é exponencial e permite calcular o valor de µm traçando o valor do logaritmo de X (ln X) em função do tempo (t).

Da mesma forma, a concentração de substrato limitante da taxa em função do tempo é: S = So – [(Xo / Yx/s) (eˆµmt - 1)].

À medida que o substrato se esgota, S diminui e a condição de S torna-se comparável a Ks com a qual dX/dt começa a diminuir (fase de desaceleração), até finalmente se tornar nula (S = 0); Neste ponto, a concentração máxima de biomassa é atingida e o cultivo termina, pois a fase estacionária foi atingida.

A concentração final de biomassa (Xf) pode ser calculada se Yx/s: for conhecido.

Yx/s = - (Xf – Xo) / (Sf – Então) Como Sf = 0, Xf = Xo + Yx/sSo

O normal é usar essas equações para calcular Yx/s.

A figura ilustra as diferentes fases de crescimento descritas, que surgem da equação Monod. Note-se que antes da fase exponencial existe uma fase de latência durante a qual a concentração de biomassa não é substancialmente modificada, mas ocorrem alterações na composição macromolecular e no "estado fisiológico" das células da cultura. Se por algum motivo for necessário levar em conta esta fase, deve-se aplicar uma correção na equação da concentração de biomassa em função do tempo: lnX = lnXo + µm (t – tr) onde tr é o tempo de atraso; Ou seja, a modificação consiste em subtrair do tempo real o tempo decorrido até o início do crescimento exponencial. Normalmente, a fase de atraso não é desejável, tanto pela perda económica como pela perda de tempo; Para minimizá-lo, o inóculo é cultivado separadamente, em meio de cultura igual ao que será utilizado no bioprocesso (cultura ou fermentação) e depois é transferido quando as células já estão na fase exponencial. A última fase é a decadência ou morte e consiste na diminuição da concentração celular da biomassa devido à lise ou morte celular.

Equação de projeto de um biorreator descontínuo ideal

Um sistema de cultura em lote é um sistema discreto em termos de movimentação de biomassa, uma vez que não há fluxos. Como condições de idealização em um biorreator batelada ideal, assume-se que a cultura e seu meio estejam perfeitamente agitados e que os parâmetros de velocidade (r) sejam constantes em todo o volume do sistema (volume de controle); isto é, a mistura é perfeita. A outra consideração é que trabalhamos com velocidades e componentes individuais (i), portanto é utilizada a definição de conversão do componente i (Xi), em vez de biomassa; Ou seja, trabalha-se o componente metabólico e não a célula.

A equação de equilíbrio para o componente i é: d (Xi)/dt = rxi = µXi.

Levando em consideração a definição de conversão e diferenciação de Ni em relação ao tempo: dNi/dt = -NiodXi/dt.

Substituindo na equação de equilíbrio: -NiodXi/dt = rxiV.

Separando em variáveis ​​e integrando: ∫ (Nio/-rxiV) dXi = ∫ dt onde os limites de integração são: Xio (conversão de entrada) e Xf (conversão final) para a conversão e to = 0 (tempo inicial) e tf (tempo total de reação) para o tempo de reação.

Integrando obtemos: t = Nio ∫ dXi/-rxiV a equação geral de projeto para um biorreator descontínuo ideal.

Un biorreactor con aireación es por definición un reactor continuo donde la entrada F1 es una línea de alimentación de aire estéril (O); la salida F2 es una línea de lavado de aire estéril y el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento es el oxígeno disuelto (OD).

Existen dos tipos o diseños básicos de biorreactores con aireación; ambos, de uso muy difundido: el primero es tanque agitado con línea de aireación y el segundo es el de levantamiento por aire o "air lift". De este último existe también, una variante que se utiliza para cultivos aeróbicos muy resistentes a esfuerzos cortantes e hidrodinámicos y es la cama de burbujas o “bubble bed”.

Estrutura de um reator tanque agitado contínuo com linha de aeração

Um CSTR com linha de aeração é geralmente usado como dispositivo de fermentação para células e culturas aeróbicas; Seu esquema está representado na figura. Nele a aeração ocorre em regime laminar ou de transição (Re≤3000) uma vez que essas fermentações são destinadas a culturas de células e microrganismos aeróbios “sensíveis” a altos cisalhamentos e tensões hidrodinâmicas. A agitação “extra” necessária é realizada mecanicamente, por meio de: um eixo transmissor de potência dotado de palhetas ou turbinas de agitação e acionado por motor de corrente alternada com controle de potência e velocidade.

Além disso, é imprescindível que o selo mecânico do eixo do motor seja hermético e esterilizável; que as linhas de entrada e saída de ar sejam estéreis e que a difusão do ar dentro do biorreator seja controlada em pressão, fluxo e concentração. Para completar o esquema de projeto: o ar é injetado do fundo do tanque e difundido por toda a mistura por uma coroa com pequenos orifícios regularmente espaçados ou por um bocal de difusão. O “leito” de ar deve ser um “jato” de finas bolhas de ar de pequeno diâmetro, que saem de cada furo da coroa ou do difusor (bocal) e quando “atingidas” pelas pás da turbina ou do agitador, se distribuem por todo o volume, gerando milhares de pequenas bolhas de ar que difundem o O dissolvido para o núcleo do líquido. O sistema de agitação é completado com quatro ou seis defletores ou “defletores” que quebram o movimento circular que as pás da turbina ou do agitador transmitem ao líquido e geram maior turbulência e melhor mistura; mas sem danificar o tecido ou a parede celular de células e microorganismos (tamanho Kolmogorov dos Eddies). Por fim, o tanque deve possuir um trocador de calor formado por uma camisa por onde circula a água, a fim de controlar a temperatura da colheita e evitar que ela morra ou sofra estresse térmico.

Estrutura de um biorreator air-lift

Quando o volume é muito grande (maior que 1000 l) ou é necessário um volume de aeração maior, o sistema CSTR deixa de ser eficiente e é necessária a elevação de ar. Porque, quanto maior o volume da colheita, maior também é a quantidade de calor gerada; É necessário aumentar a área de transferência de calor e a eficiência de resfriamento; Portanto, o trocador de calor de camisa deve ser substituído por um trocador de calor de bobina contrafluxo ou por circulação adjacente à parede interna do tanque. Veja o diagrama representado na figura.

Tal como no projeto do tanque agitado, o ar que entra no biorreator deve ser estéril; Isto é conseguido passando-o através de um filtro microporoso com diâmetro de poro inferior a 0,45 mícrons (0,2 µm – 0,1 µm) que impede a passagem de microrganismos contaminantes. Em biorreatores air lift, o leito de ar também funciona como meio de agitação; para que seja gerada uma circulação fluida de líquido com ar (bolhas) que sobe pelo compartimento interno e depois desce pelo compartimento externo, favorecendo a mistura perfeita.

Transferência de O2 e equilíbrio de oxigênio

A taxa de transferência de 02 (r02) da fase gasosa (bolhas) para a fase líquida (meio líquido) é determinada pela seguinte equação: rO = Kla (C*- C) onde KLa é o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio; C a concentração de 02 dissolvido no líquido e C* a concentração de O dissolvido em equilíbrio com a pressão parcial de oxigênio na fase gasosa. O KLa e, portanto, o grau de transferência de oxigênio do núcleo líquido para as células ou microrganismos em cultura, dependem do projeto do biorreator e das condições operacionais do sistema de cultura: taxa de fluxo de ar, volume de líquido, regime de agitação, área de transferência e viscosidade da cultura. Em geral, diminuem o KLa: a viscosidade e o volume do líquido e aumentam o KLa: a área de transferência, a agitação e a presença de dispositivos que aumentam um, outro ou ambos.

A equação de equilíbrio de oxigênio em estado estacionário é: d(VCO) / dt = F (C – C*) – VrO + VNiO onde Ni é a taxa de transferência de um componente do gás (oxigênio) para o líquido (meio). Como o oxigênio é o substrato limitante da taxa de crescimento, quando a cultura está crescendo, o influxo de oxigênio (FiO) será maior que a saída de oxigênio (FfO) devido ao consumo de oxigênio dissolvido no líquido pelas células ou microrganismos em crescimento e/ou divisão celular.

Neste caso, a equação do balanço de oxigênio para células ou microrganismos em crescimento é: d(VCO) = FiOC – FfOC* – VrO + VNiO ou seja, a equação geral deve ser usada.

sistema de aeração

O sistema de aeração inclui externamente as linhas de entrada Fi e saída de ar Ff e internamente deve otimizar a transferência de gases nutrientes (ar) para o meio líquido. Um sistema de aeração consiste em quatro partes mecânicas: fonte de ar; tubo de entrada e filtros; bocal e difusor de ar; filtros de tubulação e saída. E três partes de controle: controle de fluxo de ar; controle de pressão de ar; controle de difusão de oxigênio dissolvido.

Fonte de ar: visto que o sistema de aeração, como um todo, depende da escolha correta do dispositivo que fornecerá a fonte de ar, duas opções serão seguidas:

a) O compressor de diafragma: é projetado para trabalho em operação contínua; Sua pressão de operação é moderada ≈ 60 psia e como o próprio nome indica, utiliza diafragma ou fole para impulsionar e comprimir o ar. O compressor de diafragma é adequado para oxigenar volumes médios de culturas aeróbias ou microrganismos.

b) O compressor de pistão: é mais utilizado comercialmente, porém, para culturas de células sensíveis (células de membrana plasmática), não é recomendado, pois sua pressão de operação é muito elevada (80 psia ou mais) para essas culturas e pode causar danos celulares graves ou lise das células; e porque o pistão deve ser lubrificado com óleo e isso faz com que ele vaze em pequenas quantidades na corrente de ar.

Tubo - Linha de ar: deve ser de aço inoxidável.

Filtros de linha de ar: Para sistemas pequenos com diâmetros de tubo padrão, são usados ​​filtros em linha; São membranas microporosas que filtram 99,99% dos contaminantes. Para sistemas maiores (industriais), deve ser concebido um método de esterilização da linha aérea in situ; Geralmente isso é feito aquecendo fortemente a linha de ar e depois resfriando-a. As membranas microporosas que filtram o ar possuem um ponto de bolha, que é a pressão máxima de água que podem suportar antes de romper (lembre-se que o sistema possui um meio líquido) e um fluxo máximo, que é a vazão máxima que a membrana pode suportar antes de romper.

Sistema de difusão de oxigênio dissolvido: deve otimizar ao máximo a transferência de oxigênio dissolvido para o meio líquido. O sistema é composto por duas partes mecânicas: bocal e difusor de ar; uma parte de medição: sensor de oxigênio dissolvido e uma parte de controle: controlador de oxigênio dissolvido.

Difusor de ar: as culturas aeróbicas exigem que o fluxo de ar estéril se difunda na forma de milhares de pequenas bolhas, do difusor de ar, para o volume do líquido; Esta ação é realizada por meio de uma placa ou cúpula cilíndrica de aço inoxidável finamente perfurada. Alternativamente, e se o sistema for de pequena ou média escala, pode-se utilizar um difusor de material cerâmico poroso, que tem a vantagem de proporcionar um leito de bolhas mais fino (menor diâmetro) e uma maior área de transferência (volume de bolha).

Los cultivos anaeróbicos y facultativos están constituidos por células y microorganismos cuyo metabolismo ante la ausencia de oxígeno, utiliza vías metabólicas alternas para la oxidación de los compuestos que le sirven de nutrientes. En estas células y microorganismos, la respiración celular se sustituye por una ruta oxidativa alterna llamada fermentación en la que, el piruvato no produce CO como producto final de desecho; por el contrario, se consume CO y esta es incorporado, junto al piruvato, en la fermentación, cuyo producto final de desecho, le da nombre; por ejemplo: en la fermentación alcohólica el piruvato se oxida a acetaldehído y al final de la cadena oxidativa se produce etanol como producto final de desecho.

Un fermentador es un dispositivo de tipo tanque agitado en el que se realiza una fermentación controlada. Los fermentadores suelen operar en modo semicontinuo; por cuanto, debe alimentarse una línea de sustrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) para mantener el crecimiento celular o microbial durante la fermentación.

El catabolismo celular de las fermentaciones además del producto final, produce gran cantidad de subproductos de desecho y metabolitos secundarios que son excretados al medio de cultivo, por las células en cultivo, y esto genera gran cantidad de espuma en el caldo de fermentación. Las espumas modifican la acidez del medio de cultivo ya que, cambian el pH del medio de cultivo y por tanto, debe regularse y controlarse la acidez del medio adecuadamente. Medir y controlar el pH es un aspecto muy importante de los bioprocesos, ya que los cambios en el pH pueden alterar significativamente las condiciones de crecimiento, generalmente con consecuencias importantes. Los medios de cultivo suelen incluir tampones, es decir, sustancias que mitigan los cambios de pH demasiado repentinos causados por la adición de un ácido o una base. Debido a que un goteo de ácido en el medio de cultivo puede dañar muchas líneas celulares, los científicos a menudo enriquecen cuidadosamente la mezcla de gas utilizada en el cultivo celular con CO2 en lugar de agregar un ácido líquido. Luego, el gas se disuelve en el medio de cultivo, lo que permite que el dióxido de carbono influya en el pH en combinación con un tampón.[8]​ Adicionalmente, la turbidez y la cantidad de espuma, deben mantenerse en niveles adecuados para evitar pérdidas y el mal funcionamiento del biorreactor.[9]​ Finalmente, la mayoría de los procesos fermentativos generan gran cantidad de calor debido a la naturaleza exergónica del catabolismo celular de estos microorganismos, por lo que, la temperatura también debe ser controlada.

En la mayoría de los cultivos anaeróbicos el dióxido de carbono (CO) es el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento por lo que, la cinética del sistema de cultivo debe modificarse incorporando la ecuación de balance de consumo de CO: d(VCCO)/dt = FiCCOi – FoCCOo + VrgCO – VNoCO

Donde: CCO = concentración de CO en el líquido; rg = velocidad de generación; No = velocidad de transferencia de un componente del líquido al gas; i = ingreso; o = salida.

Control y Medición del CO Disuelto (COD): la curva de generación de CO se debe determinar experimentalmente para determinar la velocidad de consumo de sustrato limitante de la velocidad (rgCO) del cultivo; para eso, es necesario mantener el crecimiento máximo del cultivo.

En la práctica la curva de consumo de CO se determina basándola en la concentración de dióxido de carbono disuelto (COD) en el medio de cultivo; esta puede ser medida y controlada con un dispositivo comercial diseñado para ese propósito, un controlador COD y la sonda o probeta COD respectiva.

El suministro de CO se obtiene con un cilindro de CO recargable.

La regulación del flujo de CO se realiza manualmente con un regulador manual de flujo o manómetro; se debe hacer de forma que, se mantenga la concentración máxima de dióxido de carbono disuelto, medida en el controlador COD, para que, la velocidad específica de consumo de sustrato para mantenimiento (m) se mantenga en todo momento.

El control de flujo de CO se realiza utilizando una válvula solenoide electrónica que el controlador COD dirige al recibir la señal de la probeta COD y sobre la base de su valor, comanda la apertura o clausura de una válvula solenoide, mediante una señal de paso (abrir o cerrar) que regula el flujo de CO proveniente del tanque de CO comprimido. Las válvulas solenoides son servo mecanismos eléctricamente controlados y se escogen de acuerdo al material, al número de vías, al calibre y la presión y si permanecen abiertas o cerradas, entre otros.

La difusión del CO en el medio líquido se realiza utilizando una boquilla de difusión o un difusor de gases de material cerámico poroso.

Sistema de controle de espuma

A presença de oxigênio no ambiente interno do biorreator faz com que os resíduos do catabolismo celular dos microrganismos facultativos sejam oxidados, portanto, as espumas tornam-se densas e “ensaboadas”, causando sérios problemas funcionais e contaminando a cultura.

Um sistema de controle de espuma (ver diagrama) consiste em dois subsistemas que funcionam juntos:.

O frasco dispensador é um fator comum em ambos os subsistemas.

A bomba peristáltica “esmaga” a mangueira flexível e direciona o fluxo do fluido antiespumante para o biorreator.

A mangueira flexível é escolhida de acordo com o material, tipo de bomba e comprimento; Recomenda-se silicone curado ou Tygon para um sistema de bombeamento L/S (bomba única de velocidade fixa ou variável).

Observação: A mangueira flexível se conecta ao sistema (biorreator) por meio de um tubo de adição de reagente.

Esta deve ser de aço inoxidável e seu diâmetro (porta) deve ser o diâmetro interno da mangueira flexível.

El sistema controla el pH del medio de cultivo; que es generada por los productos de desecho y el metabolismo propio del cultivo celular o microorganismos. Un sistema de control de acidez consta de:.

Dos subsistemas mecánicos servo controlados.

Nota: recuerde que las mangueras flexibles se deben conectar al sistema (biorreactor) mediante un tubo de adición de reactivo para cada una de ellas.

Un sistema de control formado por:.

Un sistema de medición: formado por:.

Al crecer los microorganismos en ambientes naturales, su rango de pH se acerca a los valores del hábitat en que se desarrolla; el rango normal de acidez en que pueden sobrevivir la mayoría de los microorganismos es 2,0 ≥ pH ≤ 10,0.

La mayoría de los hábitats tienen valores de pH de 5,9 por lo que, los microorganismos que viven en esos hábitats tienen un pH óptimo equivalente (5,9).

Algunos rangos de pH óptimo son: para levaduras entre 3,5 y 5,5; para bacterias entre 6,0 y 7,5; para mohos, según la cepa, se extiende entre 3 y 7; para células en cultivo entre 6,0 y 7,5.

La forma exacta de la curva de acidez es muy variada y depende del metabolismo propio de cada microorganismo o célula por lo que, no se ha formulado un modelo general y simple para representarla.

Sistema de controle de temperatura

Mantém a temperatura interna do sistema estável e dentro da faixa ideal exigida pela cultura para o máximo crescimento.

Um sistema de controle de temperatura consiste em:.

Dois sistemas de troca térmica:.

Um sistema de controle:.

Um sistema de medição:.

Um controle servo:.

Um sistema regulador de passagem de fluxo:.

Um sistema de condução de fluidos:.

Nota: os tubos devem ser ancorados ao corpo do biorreator através de uma porta de entrada que é um suporte hermético que o mantém na superfície plana.

Temperatura Ideal: a temperatura é outro fator ambiental que influencia e afeta o crescimento da cultura microbiana e celular; colocando o jogo, a própria sobrevivência da célula ou microrganismo. A temperatura afeta células e microrganismos cultivados de duas maneiras diferentes:

Neste ponto analisaremos apenas o primeiro item; Veremos o segundo mais tarde.

Para cada célula e microrganismo existe uma temperatura mínima abaixo da qual não há crescimento; Ou seja, o crescimento celular é inibido.

E uma temperatura máxima acima da qual a célula ou microrganismo morre.

Entre esta faixa de temperaturas existe uma temperatura ideal para a qual o crescimento é o mais rápido possível.

Estas três temperaturas são características de cada célula e microrganismo e podem variar ligeiramente com a composição do meio de cultura.

Determinação da Temperatura Ótima de Crescimento: é realizada do ponto de vista cinético, aplicando-se a Lei de Arrhenius para o crescimento e morte de células ou microrganismos: dln (k)/dt = Ea/RT2; dln (k) = -(Ea/R)*d(1/T) Onde: k = max (para crescimento), k = max (para morte), T = temperatura absoluta, R = constante de gás ideal, Ea = energia de ativação do processo: EC para crescimento, Em para morte; CE = 8 – 12.000 cal/g-mol K (crescimento), Em = 50 – 100.000 cal/g-mol K (morte).

A criação da curva de crescimento EC em conjunto com a curva de morte Em representada pelo seu logaritmo ln (k) versus o inverso do tempo 1/T leva à determinação gráfica da temperatura ótima.

Componentes de projeto de um biorreator de tanque agitado

Para atingir o cumprimento dos objetivos descritos, um tanque agitado ou biorreator tipo CSTR (ver figura) deve possuir em seu projeto os seguintes componentes básicos:

figura.

Um sistema de agitação consiste em quatro partes mecânicas:

Motor de Acionamento: fornece energia ao eixo de potência; Deve ser de corrente alternada (CA), preferencialmente de indução e sua potência deve ser calculada para suportar o dobro (200%) da potência teórica necessária para agitar o fluido e a cultura em Re≥3000. Motor de Indução (A.C): já que um biorreator deve operar continuamente durante todo o processo de cultivo; é necessário um motor capaz de suportar longos períodos de operação contínua e trabalho árduo; Portanto, o motor deve ser de indução de corrente alternada (CA) e deve ser blindado, preferencialmente em aço inoxidável.

Eixo transmissor de potência: é uma barra cilíndrica fabricada em aço inoxidável 316L e geralmente é projetada nos diâmetros padrões: ¾”, ½”, etc., para maior facilidade de ajuste aos padrões de motores CA. Seu comprimento depende da profundidade do contêiner (tanque).

Acoplamento do Eixo do Transmissor: ajusta e fixa o eixo de transmissão de potência ao motor. Existem dois tipos de acoplamento:

Acoplamento adaptador tipo furo: A porta de entrada é fixada ao eixo do motor por fixação direta. A porta de saída é um dispositivo que se adapta a vários diâmetros de broca e segura ou abraça firmemente o eixo de transmissão de força por pressão e abrasão; semelhante ao usado por furadeiras mecânicas.

Ajustador de acoplamento tipo rosca de parafuso: A porta de entrada “rosca” ou é fixada com segurança ao eixo do motor. A porta de saída é um dispositivo que “abraça” o eixo de transmissão de energia por meio de um mecanismo de rosca.

Em ambos os casos, o diâmetro da porta de entrada do acoplamento, que é a ligação entre o acoplamento e o eixo do motor, deve ter diâmetro interno igual ao diâmetro externo do eixo do motor e o diâmetro da porta de saída, que é o dispositivo de fixação do eixo de transmissão de potência, deve ser igual ao diâmetro externo do respectivo eixo.

Porta de entrada do biorreator: A superfície física na qual está instalado um dispositivo de entrada ou saída do biorreator, uma âncora ou um dispositivo mecânico ou de medição, é chamada de porta; A porta é o meio pelo qual tal dispositivo ou artefato é ajustado ou fixado na parede ou superfície do tanque ou biorreator. Como pode ser visto na fotografia, a porta de entrada é a tampa ou face superior do tanque do biorreator e onde estão ancorados ou mantidos todos os dispositivos e periféricos necessários ao seu funcionamento. Cada dispositivo de ancoragem ou fixador possui também uma porta menor cujo diâmetro externo é a superfície externa total e cujo diâmetro interno é o diâmetro externo do dispositivo que ele fixa. Algumas portas possuem dois diâmetros internos, quando o dispositivo que elas seguram possui diâmetro externo e diâmetro interno; por exemplo, os sensores ou sondas de medição e o selo mecânico do eixo do agitador.

Vedação Mecânica: sua função é tripla: evitar contaminação, manter o sistema hermético e servir como amortecedor de fricção. O selo mecânico também deve permitir a esterilização in situ do biorreator, utilizando linha de vapor superaquecido. Um selo mecânico é geralmente projetado em uma de duas configurações:

Cartucho rígido: permite que o eixo de força role através de um suporte de corpo rígido que veda e isola a passagem de qualquer matéria para dentro do tanque.

Cartucho flexível: permite que o eixo de transmissão role através de um suporte fixo por fora, mas flexível por dentro e que também veda e isola a passagem de contaminantes para dentro do tanque.

Em ambos os casos o selo mecânico é especificado de acordo com o diâmetro eterno do eixo transmissor de potência; que é o diâmetro interno da porta do selo mecânico. Se possível, recomenda-se a utilização de vedações flexíveis, pois amortecem melhor as vibrações mecânicas do eixo transmissor de potência; A desvantagem é que esta flexibilidade obriga a trocá-los com maior frequência, uma vez que o desgaste é maior.

Eixo Transmissor de Potência: transmite a potência do motor ao impulsor, através das pás agitadoras. Existem eixos nos quais já estão incorporadas lâminas ou lâminas de agitação; eles são projetados para operar em um dos dois sistemas de fluxo, dependendo da orientação espacial das pás ou aletas:

Fluxo axial: proporcionam maior eficácia de mistura (distribuição) e reduzem a potência de mistura necessária, distribuindo melhor a mistura; Suas folhas ou lâminas são planas.

Fluxo radial: gera maior potência de mistura (turbulência) e pode causar danos às células; Suas folhas ou pás são do tipo hélice.

Impulsores: são os dispositivos que acionam o fluido e o movimento, por meio de pás ou pás fixadas no eixo de transmissão de potência; Podem ser do tipo mecânico (agitador) ou hidráulico (turbina).

Agitadores: é um impulsor composto por pás agitadoras ou pás conectadas ao eixo de transmissão de potência; Eles podem ter uma distribuição de fluxo axial ou radial.

Os propulsores de fluxo radial podem ter uma variedade de formatos e designs; Dentro destes, as hélices são as mais utilizadas.

Hélices: Existem três designs básicos que dependem da orientação espacial:

(a) – Plano XY,.

(b) – Plano ZX,.

(c) – Plano ZY.

Cada orientação (plano) descreve uma superfície curva que é determinada por dois (2) de três (3) ângulos de projeto:

(a) Plano XY, determine o ângulo de inclinação (α), este varia 15' ≤ α ≤ 45';

(b) Plano ZX, determina o ângulo de torção (β), este varia 16' ≤ β ≤ 32';

(c) Plano ZY, determina o ângulo de tensão (γ), este varia 15' ≤ γ ≤ 45'.

Como pode ser visto na figura:

(a) – Hélices de superfície curva no Plano XY são determinadas pelos ângulos α, β;.

(b) – Hélices de superfície curva no Plano ZX são determinadas pelos ângulos α, γ;.

(c) – Hélices com superfície curva no plano ZY são determinadas pelos ângulos γ, β.

Devido à sua grande potência e à turbulência que geram, as hélices não são recomendadas para culturas de células sensíveis; Devem ser utilizados apenas para culturas bacterianas ou fúngicas e em baixas velocidades de rotação.

Turbinas: é um impulsor de fluxo axial que funciona como uma centrífuga que distribui o fluxo de líquido através de pás planas, para todo o volume de fluido.

O impulso axial provou ser a forma de projeto mais eficiente para reduzir as tensões de cisalhamento e hidrodinâmicas e reduzir a turbulência e a potência necessária para homogeneizar a mistura; objetivo que é perseguido em uma combinação perfeita. É por isso que os impulsores de fluxo axial são recomendados para a cultura de células sensíveis ou de membrana plasmática. Dentre estes, a turbina Rushton (b) é o impulsor de fluxo axial mais recomendado e mais eficiente para gerar uma mistura perfeita com alto perfil hidrodinâmico, baixas tensões de cisalhamento e alta distribuição.

E um de controle:.

Controle de velocidade do motor: Os motores de indução CA possuem velocidades nominais de rotação de 1800rpm ou 3600rpm. Estas velocidades são muito elevadas para sistemas biológicos causando a destruição de células e microrganismos em cultura. A velocidade de rotação do motor deve então ser reduzida para um máximo de 600 rpm (rotações por minuto) para não causar danos às células. Uma caixa de redução de 1/3 ou 1/6 geralmente é acoplada à saída do eixo do rotor para diminuir a velocidade de rotação para 600 rpm. Além disso, um controle de velocidade que pode ser analógico ou digital é colocado no motor para um controle mais preciso e preciso da velocidade de rotação.

Mexendo e misturando.

Relações de potência e mistura: à medida que o diâmetro da lâmina (Dd) aumenta, aumenta também a potência (Pt) necessária para realizar o trabalho de mistura; A potência de mistura (Pm) é maior porque o torque (τ) aumenta. Lembre-se que o torque é a relação entre a força (F) e o braço de alavanca (r) e que o braço de alavanca é o diâmetro da lâmina ou lâmina cujo momento (mv) aumenta à medida que a velocidade de rotação (ω) aumenta. Assim, quando Dd é muito grande, ω deve ser diminuído para reduzir Pt; mas isso faz com que Pm também se contraia; bem como turbulência excessiva. Caso contrário, ocorre quando Dd é muito pequeno, ω deve ser aumentado para melhorar Pm e prolongar a turbulência, pois, nestes casos, ela é localizada (acumula-se ao redor das pás e pás). Esse fenômeno local conhecido como força fluida (Pf) faz com que o volume de líquido afetado pela turbulência local (Rex) não seja suficiente para oxigenar os tecidos e células em cultura, uma vez que o Kla diminui. Para que o Pf seja transmitido a todo o volume operacional do fluido, é necessário que o estado estacionário (EE) seja alcançado na referida operação, e isso leva muito tempo, o que implica em um custo elevado.

A melhor forma de combinar positivamente estes efeitos hidrodinâmicos opostos; Ou seja: diminuir Pm e aumentar Pf é otimizar Dd. Isto é conhecido como potência de mistura ideal (Pe) e é alcançado de duas maneiras:

A primeira alternativa minimiza a potência de mistura necessária e maximiza a potência do fluido, fazendo melhor uso do gradiente de mistura. O segundo aumenta a potência de mistura e a potência do fluido, mas também a potência necessária e desperdiça o gradiente de mistura e difusão.

Uso de Baffles: são uma melhoria amplamente utilizada, pois podem ser facilmente instalados em sistemas de agitação, reduzem (desviam) a turbulência causada pelas pás ou pás do impulsor, quebram (desintegram) os aglomerados de células e micélios que se formam nas respectivas culturas e melhoram a eficiência da mistura. A proporção ideal entre o diâmetro do defletor (Db ou J) e o diâmetro do tanque (Dt) é: Db/Dt = 1/10–1/12. O número indicado de chicanas é 4 para sistemas moderadamente agitados e 6 para sistemas turbulentos.

Sistemas de troca de calor

A transferência de calor é um processo no qual a energia é trocada na forma de calor entre diferentes corpos ou entre diferentes partes do mesmo corpo que estão em temperaturas diferentes. O calor é transferido por uma combinação de dois ou mais destes três processos: convecção, condução ou radiação. Um dos mecanismos térmicos (processo) costuma predominar sobre os outros dois; também é possível que todos os três processos ocorram simultaneamente. A condução é o processo dominante em trocadores de calor de casco e tubos e tubos bobinados. Embora o mecanismo exato de condução não seja compreendido, sabe-se que ele se deve ao movimento (energia cinética) dos elétrons livres que se movem pela rede cristalina do sólido e transportam energia quando há diferença de temperatura (gradiente).

Lei de Fourier: J = KδT/δx Onde J = densidade de corrente de energia (J/m²s); K = condutividade térmica (constante característica do material).

A taxa de condução de calor (J) através de um corpo sólido (medida por unidade de seção transversal) é diretamente proporcional ao negativo do gradiente de temperatura que existe nesse corpo.

Tabela de condutividades térmicas e propriedades de metais[10]​.

As unidades das grandezas são expressas no Sistema Internacional de Unidades de Medida.

Cálculo da resistência térmica

Para calcular a resistência térmica é necessário transformar as equações que modelam os diferentes mecanismos de transferência de calor para que apresentem a seguinte forma: (Ta - Tb) / Ponto Q = expressão matemática = Rth.

A expressão da resistência térmica Rth é diferente em cada sistema e depende do mecanismo de transferência.

Nestes casos é necessário distinguir entre as diferentes geometrias que aparecem em cada elemento resistivo; as configurações geométricas mais comuns: parede plana, parede cilíndrica e parede esférica.

Trocadores de calor

Um trocador de calor é um dispositivo projetado para transferir calor por um mecanismo de convecção mista entre o filme de um líquido processado (meio de cultura) e a parede de um sólido metálico, seguido pela condução do calor transferido para a área da seção transversal do sólido metálico (tubo ou placa) e novamente a transferência de calor por convecção da parede do sólido metálico para outro fluido processado (água).

Como pode ser visto nas figuras, existem várias maneiras de projetar um trocador de calor.

Acima: uma bobina é um tubo metálico responsável pela troca de calor; O refrigerante coleta (absorve) ou transmite calor.

Abaixo: uma camisa ou jaqueta é um dispositivo fechado de troca de calor; enquanto um regenerador de calor é um dispositivo aberto.

Em todos os casos, o mecanismo misto de troca térmica é a convecção que conduz calor entre sólidos metálicos estáticos e superfícies fluidas móveis.

Trocadores de tubos:.

Como pode ser visto na figura, existem duas configurações para a direção do fluxo de fluido:

a) Fluxo paralelo: os dois fluidos entram pela mesma extremidade e fluem na mesma direção.

b) Contrafluxo: os fluidos entram em extremidades opostas e também fluem em direções opostas.

Num permutador de calor de fluxo paralelo, a temperatura de saída do fluido frio nunca pode ser superior à temperatura de saída do fluido quente.

Num trocador de calor de contrafluxo, a temperatura de saída do fluido frio pode ser superior à temperatura de saída do fluido quente.

O caso limite ocorre quando a temperatura de saída do fluido frio é igual à temperatura de entrada do fluido quente. A temperatura de saída do fluido frio nunca pode ser superior à temperatura de entrada do fluido quente.

Como pode ser visto na figura, em trocadores de calor compactos os dois fluidos fluem em direções ortogonais entre si (90°). Esta configuração de fluxo é chamada de fluxo cruzado e é classificada com base na mistura:

a) Escoamento cruzado misto: um dos fluidos flui livremente em direção ortogonal ao outro sem restrições;

b) Fluxo cruzado não misturado: as placas são dispostas de forma a guiar o fluxo de um dos fluidos em direção ortogonal ao outro sem mistura.

Conforme pode ser visto na figura, os trocadores de casco e tubos são classificados de acordo com:

a) Número de passos no casco;

b) Número de passagens pelos tubos.

Un quimiostato es un sistema de cultivo en continuo; su operación esquemática es como la que muestra la figura.

Una operación en continuo exige una serie de consideraciones para modelar su comportamiento:.

Mezcla perfecta (sin gradientes de concentración y con agitación turbulenta);.

Flujo de entrada y salida iguales (F1 = F2 = F);.

Volumen de operación constante (volumen de líquido dentro del biorreactor: dV/dt = 0);.

Parámetros constantes de transferencia (temperatura, pH, velocidad de transferencia de oxígeno, etc.).

La operación industrial de un quimioestáto se ilustra en la figura.

Para iniciar un cultivo continuo; el biorreactor o el fermentado debe cargarse previamente con el inóculo del cultivo y luego de que este crece lo suficiente, alimentar el sistema con medio fresco a un caudal F1 y lavar el producto por un rebalse a un caudal F2, de modo que, el volumen se mantenga constante, el tiempo que dure el bioproceso o la fermentación. El caudal de salida F contiene células vivas (X), medio de cultivo con algún sustrato (S) parcialmente agotado (So) y posiblemente algún producto (P). Al alimentar con medio fresco (So) el caudal de entrada (F1), la biomasa (Xo) y el producto (Po) serán iguales a cero para las condiciones de entrada; por lo que, solo se deberá considerar la concentración de sustrato limitante del crecimiento (So) en la alimentación.

Balances y ecuaciones en el estado estacionario.

Teniendo en cuenta estas consideraciones, los balances de materia para X, S y P en el estado estacionario (E.E) serán:.

Balance de biomasa: VdX/dt = -FX + Vrx = –(F/V)X + µX = 0; rX = mX; E.E » dX/dt = 0. Por definición D = velocidad de dilución = F/V » µ = D.

Balance de sustrato: VdS/dt = F (So – S) – Vrs; rs = µX / YX/S; E.E » dS/dt = 0. Por definición: SEE = KsD / µm – D » XEE = YX/S (S0 – S).

Donde: D = velocidad de dilución; SEE = concentración del sustrato limitante de la velocidad en estado estacionario; XEE = concentración de biomasa en estado estacionario.

Balance de producto: VdP/dt = -FP + Vrp = PEE = qPX / D; rP = qPX; E.E » dP/dt = 0.

Donde: PEE = concentración del producto en el estado estacionario.

Nota: cuando el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) es también la fuente de carbono: X = DY´X/S (So – SEE) / (D + msY´X/S).

Modelo cinético Monod para cultivo contínuo

O modelo de crescimento aplicado em sistemas de cultivo contínuo é o modelo cinético Monod: D = µmS / (KS + S) » S = KSD / (µm – D) » X = YX/S [S0 – KSD / (µm – D)].

Taxa de diluição crítica: existe um valor de diluição acima do qual X = 0; Ou seja, há lavagem ou arraste da biomassa acima do valor de equilíbrio que permite o estado estacionário e F2 > F1.

Esse fator é conhecido como diluição crítica (Dc); Dc = µmSo / Ks + Então.

Em condições normais de operação contínua S0 >> KS » DC = µm, portanto, um quimiostato deve funcionar a uma fração de µm. Em termos de crescimento de biomassa isto significa que o quimiostato impõe uma condição selectiva ao crescimento da cultura ou microrganismo.

Formação do produto: PEE = rp/D = qPXEE/D.

Determinação dos parâmetros de crescimento: uma cultura contínua é extremamente útil para determinar os parâmetros de crescimento.

1/D = 1/µm + Ks/µm * 1/VER.

1/D é plotado em função de 1/S, os pontos se ajustam a uma reta cuja intersecção com o eixo 1/D é o valor de 1/µm e cuja inclinação é Ks /µm.

D (Então – VER) / XEE = D / Y´X/S + ms.

O ** enredo de D (So-S) /

A equação de projeto nos dá o tempo de residência (t) da cultura dentro do biorreator.

Para utilizar a equação de projeto, a definição do componente X deve ser modificada e substituída pela conversão X do componente i.

Por definição: Xi = Nio – Ni / Nio Onde: N = moles do componente i. Resolvendo: Ni = Nio (1 - Xi) » dNi/dt = -Nio dXi/dt = riV Portanto, a equação de balanço de biomassa para o estado estacionário torna-se: -FXi + riV = VdXi/dt = 0.

Reorganizados: V/F = ∆Xi / -ri = t = equação de projeto de um reator de mistura perfeita. Onde: t = tempo de permanência da cultura no interior do biorreator; ∆Xi = Xi2 – Xi1 = dXi.

Outro termo comumente usado no projeto de reator é espaço-tempo (τ) que define o tempo necessário para processar ou fermentar no biorreator, um volume de alimentação, medido nas condições de entrada (pressão e temperatura), igual ao volume operacional do biorreator (que define o estado estacionário). O espaço-tempo é obtido dividindo o volume do reator (V) pela vazão volumétrica que entra no biorreator (Q): τ = V/Q.

Observe que, assim como t, as unidades de τ são s-1.

Un cultivo semicontinuo posee una línea de entrada o alimentación (F1). Para iniciar un cultivo alimentado (fed-batch) son válidas las mismas consideraciones que se hicieron para el cultivo continuo; pero, se inicia la alimentación del cultivo cuando el sustrato limitante de la velocidad se ha agotado; esto permite controlar la velocidad de crecimiento, regulando la velocidad de alimentación (caudal); finalmente se debe alimentar el cultivo con medio fresco.

Os respectivos balanços materiais para X, S e P são:.

Nota: nestes casos o volume V permanece dentro do operador diferencial; Isso ocorre porque varia com o tempo.

Se na equação de equilíbrio do substrato a velocidade rs for substituída por rx / Yx/s temos: d (VS)/dt = FSo – 1/Yx/s. d(XV)/dt.

Para controlar a taxa de crescimento (rx) através da taxa de alimentação (F), o substrato (S) deve ser zero em todos os momentos: S = 0 e portanto: d (SV)/dt = 0. Esta condição equivale ao substrato sendo consumido em sua totalidade ao entrar no biorreator; É por isso que se aplica a condição de alimentação fresca. Nessas condições, a equação de balanço de biomassa é transformada em: d (VX)/dt = FSoYx/s e por integração: XV = XeVe + FSoYx/st Onde: Xe e Ve representam a concentração de biomassa e o volume da cultura no início da alimentação.

A variação do volume com o tempo é: V = Ve + Ft.

O critério para dimensionar uma alimentação adequada é obtido pela equação: FSo = VeµXe / Yx/s a equação é válida para qualquer faixa de µ, até µm.

Como critério adicional, especialmente em processos de fermentação, costuma-se selecionar um valor de So o mais alto possível e o oposto de F (relativamente pequeno); para evitar a lavagem da cultura devido à diluição excessiva. No entanto, isto faria com que a duração da cultura (tempo de fermentação) fosse excessivamente prolongada. Para encontrar o equilíbrio, uma solução de compromisso foi desenhada empiricamente: µ = 1 / VX. d (VX)/dt = Yx/sFSo / XeVe + Yx/sFSot.

Equação de projeto de um biorreator semicontínuo ideal

Um sistema de cultivo semicontínuo é um sistema transcendente; isto é, existe um fluxo temporário ou transitório que alimenta ou drena (lava) o sistema. O balanço de massa global que se aplica a um volume de controle (diferencial de volume) para o componente i em um sistema de fluxo semicontínuo é:.

Entra - Sai - Desaparece = Acumula ―› Fi - (Fi+dFi) - (-rxi) dV = 0.

Operando é obtido: - dFi = (-rxi) dV Por definição a conversão do componente i em reatores de fluxo (semicontínuos) é: e Xio, Xif para conversão. Resolvendo a integral obtemos: V/Fio = ∫ dXi/-rxi = t a equação de projeto para um biorreator de fluxo (semicontínuo). A equação é válida quer haja ou não variação na vazão do sistema. Quando uma expressão baseada na concentração é necessária, podemos usar a seguinte equação: Fio = CioQi onde Cio é a concentração do componente i nas condições de entrada e Qi é a vazão volumétrica do componente i. Substituindo: V/Fio = V/QiCio = τ/Cio onde τ é o espaço-tempo do biorreator. Na forma integral: τ = Cio ∫ dXi/-rxi

Para sistemas de densidade constante: τ = - ∫ dCi/-rxi.

Nota: ao comparar a equação de projeto de um biorreator semicontínuo ideal com a obtida para um biorreator ideal descontínuo, observa-se que a diferença é a expressão que leva tempo: t ou t. Num biorreator descontínuo, t representa o tempo de cultura tc e é igual à duração do bioprocesso ou fermentação; isto é, o tempo necessário para que o substrato limitante da taxa se esgote. Em um biorreator semicontínuo (de fluxo), o tempo t corresponde ao equivalente para que a conversão da saída atinja seu valor máximo possível; Ou seja, para que a geração de biomassa ou componente metabólico X atinja seu crescimento máximo (µm) para o mesmo componente i. É por isso que em um biorreator de fluxo o tempo t também é chamado de tempo de residência tr; pois é o momento que a cultura reside dentro do biorreator; que é diferente (maior) do tempo de cultura tc, pois mesmo após o esgotamento do substrato limitante da taxa, a cultura (células ou microrganismos) tem capacidade metabólica para continuar sintetizando metabólitos X ou gerar mais biomassa (crescer); É por isso que incorporam os adjetivos “limitador de velocidade” ao substrato S.

Una sistema de cultivo discontinuo no posee alimentación (F1) o lavado (F2); se carga el contenido del biorreactor (tanda o lote) con el medio de cultivo y luego se inocula con el cultivo (células o microorganismos) y se deja crecer hasta obtener el producto (biomasa o metabolito).

Como F1 = F2 = 0, as equações de equilíbrio são:.

Geração de biomassa: quando a operação descontínua visa gerar biomassa (células ou microrganismos); Supõe-se que nenhum produto é formado e que a relação µ-S pode ser representada pela equação Monod, portanto as equações para balanço de biomassa e equilíbrio de substrato limitante de taxa permanecem:

O sistema de equações tem solução analítica, mas nele X não aparece explicitamente, portanto é de pouca utilidade. Felizmente é possível analisar casos particulares, fazendo algumas suposições. No caso de levar em conta apenas a fase exponencial de crescimento, afirma-se que: S » Ks e as equações são reduzidas às originais, exceto que µ é substituído por µm:.

Dado que sob tais condições o crescimento ocorre no valor máximo possível, integrando a equação do balanço de biomassa com as condições: t = 0,

A equação estabelece que para S » Ks o crescimento é exponencial e permite calcular o valor de µm traçando o valor do logaritmo de X (ln X) em função do tempo (t).

Da mesma forma, a concentração de substrato limitante da taxa em função do tempo é: S = So – [(Xo / Yx/s) (eˆµmt - 1)].

À medida que o substrato se esgota, S diminui e a condição de S torna-se comparável a Ks com a qual dX/dt começa a diminuir (fase de desaceleração), até finalmente se tornar nula (S = 0); Neste ponto, a concentração máxima de biomassa é atingida e o cultivo termina, pois a fase estacionária foi atingida.

A concentração final de biomassa (Xf) pode ser calculada se Yx/s: for conhecido.

Yx/s = - (Xf – Xo) / (Sf – Então) Como Sf = 0, Xf = Xo + Yx/sSo

O normal é usar essas equações para calcular Yx/s.

A figura ilustra as diferentes fases de crescimento descritas, que surgem da equação Monod. Note-se que antes da fase exponencial existe uma fase de latência durante a qual a concentração de biomassa não é substancialmente modificada, mas ocorrem alterações na composição macromolecular e no "estado fisiológico" das células da cultura. Se por algum motivo for necessário levar em conta esta fase, deve-se aplicar uma correção na equação da concentração de biomassa em função do tempo: lnX = lnXo + µm (t – tr) onde tr é o tempo de atraso; Ou seja, a modificação consiste em subtrair do tempo real o tempo decorrido até o início do crescimento exponencial. Normalmente, a fase de atraso não é desejável, tanto pela perda económica como pela perda de tempo; Para minimizá-lo, o inóculo é cultivado separadamente, em meio de cultura igual ao que será utilizado no bioprocesso (cultura ou fermentação) e depois é transferido quando as células já estão na fase exponencial. A última fase é a decadência ou morte e consiste na diminuição da concentração celular da biomassa devido à lise ou morte celular.

Equação de projeto de um biorreator descontínuo ideal

Um sistema de cultura em lote é um sistema discreto em termos de movimentação de biomassa, uma vez que não há fluxos. Como condições de idealização em um biorreator batelada ideal, assume-se que a cultura e seu meio estejam perfeitamente agitados e que os parâmetros de velocidade (r) sejam constantes em todo o volume do sistema (volume de controle); isto é, a mistura é perfeita. A outra consideração é que trabalhamos com velocidades e componentes individuais (i), portanto é utilizada a definição de conversão do componente i (Xi), em vez de biomassa; Ou seja, trabalha-se o componente metabólico e não a célula.

A equação de equilíbrio para o componente i é: d (Xi)/dt = rxi = µXi.

Levando em consideração a definição de conversão e diferenciação de Ni em relação ao tempo: dNi/dt = -NiodXi/dt.

Substituindo na equação de equilíbrio: -NiodXi/dt = rxiV.

Separando em variáveis ​​e integrando: ∫ (Nio/-rxiV) dXi = ∫ dt onde os limites de integração são: Xio (conversão de entrada) e Xf (conversão final) para a conversão e to = 0 (tempo inicial) e tf (tempo total de reação) para o tempo de reação.

Integrando obtemos: t = Nio ∫ dXi/-rxiV a equação geral de projeto para um biorreator descontínuo ideal.

Un biorreactor con aireación es por definición un reactor continuo donde la entrada F1 es una línea de alimentación de aire estéril (O); la salida F2 es una línea de lavado de aire estéril y el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento es el oxígeno disuelto (OD).

Existen dos tipos o diseños básicos de biorreactores con aireación; ambos, de uso muy difundido: el primero es tanque agitado con línea de aireación y el segundo es el de levantamiento por aire o "air lift". De este último existe también, una variante que se utiliza para cultivos aeróbicos muy resistentes a esfuerzos cortantes e hidrodinámicos y es la cama de burbujas o “bubble bed”.

Estrutura de um reator tanque agitado contínuo com linha de aeração

Um CSTR com linha de aeração é geralmente usado como dispositivo de fermentação para células e culturas aeróbicas; Seu esquema está representado na figura. Nele a aeração ocorre em regime laminar ou de transição (Re≤3000) uma vez que essas fermentações são destinadas a culturas de células e microrganismos aeróbios “sensíveis” a altos cisalhamentos e tensões hidrodinâmicas. A agitação “extra” necessária é realizada mecanicamente, por meio de: um eixo transmissor de potência dotado de palhetas ou turbinas de agitação e acionado por motor de corrente alternada com controle de potência e velocidade.

Além disso, é imprescindível que o selo mecânico do eixo do motor seja hermético e esterilizável; que as linhas de entrada e saída de ar sejam estéreis e que a difusão do ar dentro do biorreator seja controlada em pressão, fluxo e concentração. Para completar o esquema de projeto: o ar é injetado do fundo do tanque e difundido por toda a mistura por uma coroa com pequenos orifícios regularmente espaçados ou por um bocal de difusão. O “leito” de ar deve ser um “jato” de finas bolhas de ar de pequeno diâmetro, que saem de cada furo da coroa ou do difusor (bocal) e quando “atingidas” pelas pás da turbina ou do agitador, se distribuem por todo o volume, gerando milhares de pequenas bolhas de ar que difundem o O dissolvido para o núcleo do líquido. O sistema de agitação é completado com quatro ou seis defletores ou “defletores” que quebram o movimento circular que as pás da turbina ou do agitador transmitem ao líquido e geram maior turbulência e melhor mistura; mas sem danificar o tecido ou a parede celular de células e microorganismos (tamanho Kolmogorov dos Eddies). Por fim, o tanque deve possuir um trocador de calor formado por uma camisa por onde circula a água, a fim de controlar a temperatura da colheita e evitar que ela morra ou sofra estresse térmico.

Estrutura de um biorreator air-lift

Quando o volume é muito grande (maior que 1000 l) ou é necessário um volume de aeração maior, o sistema CSTR deixa de ser eficiente e é necessária a elevação de ar. Porque, quanto maior o volume da colheita, maior também é a quantidade de calor gerada; É necessário aumentar a área de transferência de calor e a eficiência de resfriamento; Portanto, o trocador de calor de camisa deve ser substituído por um trocador de calor de bobina contrafluxo ou por circulação adjacente à parede interna do tanque. Veja o diagrama representado na figura.

Tal como no projeto do tanque agitado, o ar que entra no biorreator deve ser estéril; Isto é conseguido passando-o através de um filtro microporoso com diâmetro de poro inferior a 0,45 mícrons (0,2 µm – 0,1 µm) que impede a passagem de microrganismos contaminantes. Em biorreatores air lift, o leito de ar também funciona como meio de agitação; para que seja gerada uma circulação fluida de líquido com ar (bolhas) que sobe pelo compartimento interno e depois desce pelo compartimento externo, favorecendo a mistura perfeita.

Transferência de O2 e equilíbrio de oxigênio

A taxa de transferência de 02 (r02) da fase gasosa (bolhas) para a fase líquida (meio líquido) é determinada pela seguinte equação: rO = Kla (C*- C) onde KLa é o coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio; C a concentração de 02 dissolvido no líquido e C* a concentração de O dissolvido em equilíbrio com a pressão parcial de oxigênio na fase gasosa. O KLa e, portanto, o grau de transferência de oxigênio do núcleo líquido para as células ou microrganismos em cultura, dependem do projeto do biorreator e das condições operacionais do sistema de cultura: taxa de fluxo de ar, volume de líquido, regime de agitação, área de transferência e viscosidade da cultura. Em geral, diminuem o KLa: a viscosidade e o volume do líquido e aumentam o KLa: a área de transferência, a agitação e a presença de dispositivos que aumentam um, outro ou ambos.

A equação de equilíbrio de oxigênio em estado estacionário é: d(VCO) / dt = F (C – C*) – VrO + VNiO onde Ni é a taxa de transferência de um componente do gás (oxigênio) para o líquido (meio). Como o oxigênio é o substrato limitante da taxa de crescimento, quando a cultura está crescendo, o influxo de oxigênio (FiO) será maior que a saída de oxigênio (FfO) devido ao consumo de oxigênio dissolvido no líquido pelas células ou microrganismos em crescimento e/ou divisão celular.

Neste caso, a equação do balanço de oxigênio para células ou microrganismos em crescimento é: d(VCO) = FiOC – FfOC* – VrO + VNiO ou seja, a equação geral deve ser usada.

sistema de aeração

O sistema de aeração inclui externamente as linhas de entrada Fi e saída de ar Ff e internamente deve otimizar a transferência de gases nutrientes (ar) para o meio líquido. Um sistema de aeração consiste em quatro partes mecânicas: fonte de ar; tubo de entrada e filtros; bocal e difusor de ar; filtros de tubulação e saída. E três partes de controle: controle de fluxo de ar; controle de pressão de ar; controle de difusão de oxigênio dissolvido.

Fonte de ar: visto que o sistema de aeração, como um todo, depende da escolha correta do dispositivo que fornecerá a fonte de ar, duas opções serão seguidas:

a) O compressor de diafragma: é projetado para trabalho em operação contínua; Sua pressão de operação é moderada ≈ 60 psia e como o próprio nome indica, utiliza diafragma ou fole para impulsionar e comprimir o ar. O compressor de diafragma é adequado para oxigenar volumes médios de culturas aeróbias ou microrganismos.

b) O compressor de pistão: é mais utilizado comercialmente, porém, para culturas de células sensíveis (células de membrana plasmática), não é recomendado, pois sua pressão de operação é muito elevada (80 psia ou mais) para essas culturas e pode causar danos celulares graves ou lise das células; e porque o pistão deve ser lubrificado com óleo e isso faz com que ele vaze em pequenas quantidades na corrente de ar.

Tubo - Linha de ar: deve ser de aço inoxidável.

Filtros de linha de ar: Para sistemas pequenos com diâmetros de tubo padrão, são usados ​​filtros em linha; São membranas microporosas que filtram 99,99% dos contaminantes. Para sistemas maiores (industriais), deve ser concebido um método de esterilização da linha aérea in situ; Geralmente isso é feito aquecendo fortemente a linha de ar e depois resfriando-a. As membranas microporosas que filtram o ar possuem um ponto de bolha, que é a pressão máxima de água que podem suportar antes de romper (lembre-se que o sistema possui um meio líquido) e um fluxo máximo, que é a vazão máxima que a membrana pode suportar antes de romper.

Sistema de difusão de oxigênio dissolvido: deve otimizar ao máximo a transferência de oxigênio dissolvido para o meio líquido. O sistema é composto por duas partes mecânicas: bocal e difusor de ar; uma parte de medição: sensor de oxigênio dissolvido e uma parte de controle: controlador de oxigênio dissolvido.

Difusor de ar: as culturas aeróbicas exigem que o fluxo de ar estéril se difunda na forma de milhares de pequenas bolhas, do difusor de ar, para o volume do líquido; Esta ação é realizada por meio de uma placa ou cúpula cilíndrica de aço inoxidável finamente perfurada. Alternativamente, e se o sistema for de pequena ou média escala, pode-se utilizar um difusor de material cerâmico poroso, que tem a vantagem de proporcionar um leito de bolhas mais fino (menor diâmetro) e uma maior área de transferência (volume de bolha).

Los cultivos anaeróbicos y facultativos están constituidos por células y microorganismos cuyo metabolismo ante la ausencia de oxígeno, utiliza vías metabólicas alternas para la oxidación de los compuestos que le sirven de nutrientes. En estas células y microorganismos, la respiración celular se sustituye por una ruta oxidativa alterna llamada fermentación en la que, el piruvato no produce CO como producto final de desecho; por el contrario, se consume CO y esta es incorporado, junto al piruvato, en la fermentación, cuyo producto final de desecho, le da nombre; por ejemplo: en la fermentación alcohólica el piruvato se oxida a acetaldehído y al final de la cadena oxidativa se produce etanol como producto final de desecho.

Un fermentador es un dispositivo de tipo tanque agitado en el que se realiza una fermentación controlada. Los fermentadores suelen operar en modo semicontinuo; por cuanto, debe alimentarse una línea de sustrato limitante de la velocidad de crecimiento (S) para mantener el crecimiento celular o microbial durante la fermentación.

El catabolismo celular de las fermentaciones además del producto final, produce gran cantidad de subproductos de desecho y metabolitos secundarios que son excretados al medio de cultivo, por las células en cultivo, y esto genera gran cantidad de espuma en el caldo de fermentación. Las espumas modifican la acidez del medio de cultivo ya que, cambian el pH del medio de cultivo y por tanto, debe regularse y controlarse la acidez del medio adecuadamente. Medir y controlar el pH es un aspecto muy importante de los bioprocesos, ya que los cambios en el pH pueden alterar significativamente las condiciones de crecimiento, generalmente con consecuencias importantes. Los medios de cultivo suelen incluir tampones, es decir, sustancias que mitigan los cambios de pH demasiado repentinos causados por la adición de un ácido o una base. Debido a que un goteo de ácido en el medio de cultivo puede dañar muchas líneas celulares, los científicos a menudo enriquecen cuidadosamente la mezcla de gas utilizada en el cultivo celular con CO2 en lugar de agregar un ácido líquido. Luego, el gas se disuelve en el medio de cultivo, lo que permite que el dióxido de carbono influya en el pH en combinación con un tampón.[8]​ Adicionalmente, la turbidez y la cantidad de espuma, deben mantenerse en niveles adecuados para evitar pérdidas y el mal funcionamiento del biorreactor.[9]​ Finalmente, la mayoría de los procesos fermentativos generan gran cantidad de calor debido a la naturaleza exergónica del catabolismo celular de estos microorganismos, por lo que, la temperatura también debe ser controlada.

En la mayoría de los cultivos anaeróbicos el dióxido de carbono (CO) es el sustrato limitante de la velocidad de crecimiento por lo que, la cinética del sistema de cultivo debe modificarse incorporando la ecuación de balance de consumo de CO: d(VCCO)/dt = FiCCOi – FoCCOo + VrgCO – VNoCO

Donde: CCO = concentración de CO en el líquido; rg = velocidad de generación; No = velocidad de transferencia de un componente del líquido al gas; i = ingreso; o = salida.

Control y Medición del CO Disuelto (COD): la curva de generación de CO se debe determinar experimentalmente para determinar la velocidad de consumo de sustrato limitante de la velocidad (rgCO) del cultivo; para eso, es necesario mantener el crecimiento máximo del cultivo.

En la práctica la curva de consumo de CO se determina basándola en la concentración de dióxido de carbono disuelto (COD) en el medio de cultivo; esta puede ser medida y controlada con un dispositivo comercial diseñado para ese propósito, un controlador COD y la sonda o probeta COD respectiva.

El suministro de CO se obtiene con un cilindro de CO recargable.

La regulación del flujo de CO se realiza manualmente con un regulador manual de flujo o manómetro; se debe hacer de forma que, se mantenga la concentración máxima de dióxido de carbono disuelto, medida en el controlador COD, para que, la velocidad específica de consumo de sustrato para mantenimiento (m) se mantenga en todo momento.

El control de flujo de CO se realiza utilizando una válvula solenoide electrónica que el controlador COD dirige al recibir la señal de la probeta COD y sobre la base de su valor, comanda la apertura o clausura de una válvula solenoide, mediante una señal de paso (abrir o cerrar) que regula el flujo de CO proveniente del tanque de CO comprimido. Las válvulas solenoides son servo mecanismos eléctricamente controlados y se escogen de acuerdo al material, al número de vías, al calibre y la presión y si permanecen abiertas o cerradas, entre otros.

La difusión del CO en el medio líquido se realiza utilizando una boquilla de difusión o un difusor de gases de material cerámico poroso.

Sistema de controle de espuma

A presença de oxigênio no ambiente interno do biorreator faz com que os resíduos do catabolismo celular dos microrganismos facultativos sejam oxidados, portanto, as espumas tornam-se densas e “ensaboadas”, causando sérios problemas funcionais e contaminando a cultura.

Um sistema de controle de espuma (ver diagrama) consiste em dois subsistemas que funcionam juntos:.

O frasco dispensador é um fator comum em ambos os subsistemas.

A bomba peristáltica “esmaga” a mangueira flexível e direciona o fluxo do fluido antiespumante para o biorreator.

A mangueira flexível é escolhida de acordo com o material, tipo de bomba e comprimento; Recomenda-se silicone curado ou Tygon para um sistema de bombeamento L/S (bomba única de velocidade fixa ou variável).

Observação: A mangueira flexível se conecta ao sistema (biorreator) por meio de um tubo de adição de reagente.

Esta deve ser de aço inoxidável e seu diâmetro (porta) deve ser o diâmetro interno da mangueira flexível.

El sistema controla el pH del medio de cultivo; que es generada por los productos de desecho y el metabolismo propio del cultivo celular o microorganismos. Un sistema de control de acidez consta de:.

Dos subsistemas mecánicos servo controlados.

Nota: recuerde que las mangueras flexibles se deben conectar al sistema (biorreactor) mediante un tubo de adición de reactivo para cada una de ellas.

Un sistema de control formado por:.

Un sistema de medición: formado por:.

Al crecer los microorganismos en ambientes naturales, su rango de pH se acerca a los valores del hábitat en que se desarrolla; el rango normal de acidez en que pueden sobrevivir la mayoría de los microorganismos es 2,0 ≥ pH ≤ 10,0.

La mayoría de los hábitats tienen valores de pH de 5,9 por lo que, los microorganismos que viven en esos hábitats tienen un pH óptimo equivalente (5,9).

Algunos rangos de pH óptimo son: para levaduras entre 3,5 y 5,5; para bacterias entre 6,0 y 7,5; para mohos, según la cepa, se extiende entre 3 y 7; para células en cultivo entre 6,0 y 7,5.

La forma exacta de la curva de acidez es muy variada y depende del metabolismo propio de cada microorganismo o célula por lo que, no se ha formulado un modelo general y simple para representarla.

Sistema de controle de temperatura

Mantém a temperatura interna do sistema estável e dentro da faixa ideal exigida pela cultura para o máximo crescimento.

Um sistema de controle de temperatura consiste em:.

Dois sistemas de troca térmica:.

Um sistema de controle:.

Um sistema de medição:.

Um controle servo:.

Um sistema regulador de passagem de fluxo:.

Um sistema de condução de fluidos:.

Nota: os tubos devem ser ancorados ao corpo do biorreator através de uma porta de entrada que é um suporte hermético que o mantém na superfície plana.

Temperatura Ideal: a temperatura é outro fator ambiental que influencia e afeta o crescimento da cultura microbiana e celular; colocando o jogo, a própria sobrevivência da célula ou microrganismo. A temperatura afeta células e microrganismos cultivados de duas maneiras diferentes:

Neste ponto analisaremos apenas o primeiro item; Veremos o segundo mais tarde.

Para cada célula e microrganismo existe uma temperatura mínima abaixo da qual não há crescimento; Ou seja, o crescimento celular é inibido.

E uma temperatura máxima acima da qual a célula ou microrganismo morre.

Entre esta faixa de temperaturas existe uma temperatura ideal para a qual o crescimento é o mais rápido possível.

Estas três temperaturas são características de cada célula e microrganismo e podem variar ligeiramente com a composição do meio de cultura.

Determinação da Temperatura Ótima de Crescimento: é realizada do ponto de vista cinético, aplicando-se a Lei de Arrhenius para o crescimento e morte de células ou microrganismos: dln (k)/dt = Ea/RT2; dln (k) = -(Ea/R)*d(1/T) Onde: k = max (para crescimento), k = max (para morte), T = temperatura absoluta, R = constante de gás ideal, Ea = energia de ativação do processo: EC para crescimento, Em para morte; CE = 8 – 12.000 cal/g-mol K (crescimento), Em = 50 – 100.000 cal/g-mol K (morte).

A criação da curva de crescimento EC em conjunto com a curva de morte Em representada pelo seu logaritmo ln (k) versus o inverso do tempo 1/T leva à determinação gráfica da temperatura ótima.

Componentes de projeto de um biorreator de tanque agitado

Para atingir o cumprimento dos objetivos descritos, um tanque agitado ou biorreator tipo CSTR (ver figura) deve possuir em seu projeto os seguintes componentes básicos:

figura.

Um sistema de agitação consiste em quatro partes mecânicas:

Motor de Acionamento: fornece energia ao eixo de potência; Deve ser de corrente alternada (CA), preferencialmente de indução e sua potência deve ser calculada para suportar o dobro (200%) da potência teórica necessária para agitar o fluido e a cultura em Re≥3000. Motor de Indução (A.C): já que um biorreator deve operar continuamente durante todo o processo de cultivo; é necessário um motor capaz de suportar longos períodos de operação contínua e trabalho árduo; Portanto, o motor deve ser de indução de corrente alternada (CA) e deve ser blindado, preferencialmente em aço inoxidável.

Eixo transmissor de potência: é uma barra cilíndrica fabricada em aço inoxidável 316L e geralmente é projetada nos diâmetros padrões: ¾”, ½”, etc., para maior facilidade de ajuste aos padrões de motores CA. Seu comprimento depende da profundidade do contêiner (tanque).

Acoplamento do Eixo do Transmissor: ajusta e fixa o eixo de transmissão de potência ao motor. Existem dois tipos de acoplamento:

Acoplamento adaptador tipo furo: A porta de entrada é fixada ao eixo do motor por fixação direta. A porta de saída é um dispositivo que se adapta a vários diâmetros de broca e segura ou abraça firmemente o eixo de transmissão de força por pressão e abrasão; semelhante ao usado por furadeiras mecânicas.

Ajustador de acoplamento tipo rosca de parafuso: A porta de entrada “rosca” ou é fixada com segurança ao eixo do motor. A porta de saída é um dispositivo que “abraça” o eixo de transmissão de energia por meio de um mecanismo de rosca.

Em ambos os casos, o diâmetro da porta de entrada do acoplamento, que é a ligação entre o acoplamento e o eixo do motor, deve ter diâmetro interno igual ao diâmetro externo do eixo do motor e o diâmetro da porta de saída, que é o dispositivo de fixação do eixo de transmissão de potência, deve ser igual ao diâmetro externo do respectivo eixo.

Porta de entrada do biorreator: A superfície física na qual está instalado um dispositivo de entrada ou saída do biorreator, uma âncora ou um dispositivo mecânico ou de medição, é chamada de porta; A porta é o meio pelo qual tal dispositivo ou artefato é ajustado ou fixado na parede ou superfície do tanque ou biorreator. Como pode ser visto na fotografia, a porta de entrada é a tampa ou face superior do tanque do biorreator e onde estão ancorados ou mantidos todos os dispositivos e periféricos necessários ao seu funcionamento. Cada dispositivo de ancoragem ou fixador possui também uma porta menor cujo diâmetro externo é a superfície externa total e cujo diâmetro interno é o diâmetro externo do dispositivo que ele fixa. Algumas portas possuem dois diâmetros internos, quando o dispositivo que elas seguram possui diâmetro externo e diâmetro interno; por exemplo, os sensores ou sondas de medição e o selo mecânico do eixo do agitador.

Vedação Mecânica: sua função é tripla: evitar contaminação, manter o sistema hermético e servir como amortecedor de fricção. O selo mecânico também deve permitir a esterilização in situ do biorreator, utilizando linha de vapor superaquecido. Um selo mecânico é geralmente projetado em uma de duas configurações:

Cartucho rígido: permite que o eixo de força role através de um suporte de corpo rígido que veda e isola a passagem de qualquer matéria para dentro do tanque.

Cartucho flexível: permite que o eixo de transmissão role através de um suporte fixo por fora, mas flexível por dentro e que também veda e isola a passagem de contaminantes para dentro do tanque.

Em ambos os casos o selo mecânico é especificado de acordo com o diâmetro eterno do eixo transmissor de potência; que é o diâmetro interno da porta do selo mecânico. Se possível, recomenda-se a utilização de vedações flexíveis, pois amortecem melhor as vibrações mecânicas do eixo transmissor de potência; A desvantagem é que esta flexibilidade obriga a trocá-los com maior frequência, uma vez que o desgaste é maior.

Eixo Transmissor de Potência: transmite a potência do motor ao impulsor, através das pás agitadoras. Existem eixos nos quais já estão incorporadas lâminas ou lâminas de agitação; eles são projetados para operar em um dos dois sistemas de fluxo, dependendo da orientação espacial das pás ou aletas:

Fluxo axial: proporcionam maior eficácia de mistura (distribuição) e reduzem a potência de mistura necessária, distribuindo melhor a mistura; Suas folhas ou lâminas são planas.

Fluxo radial: gera maior potência de mistura (turbulência) e pode causar danos às células; Suas folhas ou pás são do tipo hélice.

Impulsores: são os dispositivos que acionam o fluido e o movimento, por meio de pás ou pás fixadas no eixo de transmissão de potência; Podem ser do tipo mecânico (agitador) ou hidráulico (turbina).

Agitadores: é um impulsor composto por pás agitadoras ou pás conectadas ao eixo de transmissão de potência; Eles podem ter uma distribuição de fluxo axial ou radial.

Os propulsores de fluxo radial podem ter uma variedade de formatos e designs; Dentro destes, as hélices são as mais utilizadas.

Hélices: Existem três designs básicos que dependem da orientação espacial:

(a) – Plano XY,.

(b) – Plano ZX,.

(c) – Plano ZY.

Cada orientação (plano) descreve uma superfície curva que é determinada por dois (2) de três (3) ângulos de projeto:

(a) Plano XY, determine o ângulo de inclinação (α), este varia 15' ≤ α ≤ 45';

(b) Plano ZX, determina o ângulo de torção (β), este varia 16' ≤ β ≤ 32';

(c) Plano ZY, determina o ângulo de tensão (γ), este varia 15' ≤ γ ≤ 45'.

Como pode ser visto na figura:

(a) – Hélices de superfície curva no Plano XY são determinadas pelos ângulos α, β;.

(b) – Hélices de superfície curva no Plano ZX são determinadas pelos ângulos α, γ;.

(c) – Hélices com superfície curva no plano ZY são determinadas pelos ângulos γ, β.

Devido à sua grande potência e à turbulência que geram, as hélices não são recomendadas para culturas de células sensíveis; Devem ser utilizados apenas para culturas bacterianas ou fúngicas e em baixas velocidades de rotação.

Turbinas: é um impulsor de fluxo axial que funciona como uma centrífuga que distribui o fluxo de líquido através de pás planas, para todo o volume de fluido.

O impulso axial provou ser a forma de projeto mais eficiente para reduzir as tensões de cisalhamento e hidrodinâmicas e reduzir a turbulência e a potência necessária para homogeneizar a mistura; objetivo que é perseguido em uma combinação perfeita. É por isso que os impulsores de fluxo axial são recomendados para a cultura de células sensíveis ou de membrana plasmática. Dentre estes, a turbina Rushton (b) é o impulsor de fluxo axial mais recomendado e mais eficiente para gerar uma mistura perfeita com alto perfil hidrodinâmico, baixas tensões de cisalhamento e alta distribuição.

E um de controle:.

Controle de velocidade do motor: Os motores de indução CA possuem velocidades nominais de rotação de 1800rpm ou 3600rpm. Estas velocidades são muito elevadas para sistemas biológicos causando a destruição de células e microrganismos em cultura. A velocidade de rotação do motor deve então ser reduzida para um máximo de 600 rpm (rotações por minuto) para não causar danos às células. Uma caixa de redução de 1/3 ou 1/6 geralmente é acoplada à saída do eixo do rotor para diminuir a velocidade de rotação para 600 rpm. Além disso, um controle de velocidade que pode ser analógico ou digital é colocado no motor para um controle mais preciso e preciso da velocidade de rotação.

Mexendo e misturando.

Relações de potência e mistura: à medida que o diâmetro da lâmina (Dd) aumenta, aumenta também a potência (Pt) necessária para realizar o trabalho de mistura; A potência de mistura (Pm) é maior porque o torque (τ) aumenta. Lembre-se que o torque é a relação entre a força (F) e o braço de alavanca (r) e que o braço de alavanca é o diâmetro da lâmina ou lâmina cujo momento (mv) aumenta à medida que a velocidade de rotação (ω) aumenta. Assim, quando Dd é muito grande, ω deve ser diminuído para reduzir Pt; mas isso faz com que Pm também se contraia; bem como turbulência excessiva. Caso contrário, ocorre quando Dd é muito pequeno, ω deve ser aumentado para melhorar Pm e prolongar a turbulência, pois, nestes casos, ela é localizada (acumula-se ao redor das pás e pás). Esse fenômeno local conhecido como força fluida (Pf) faz com que o volume de líquido afetado pela turbulência local (Rex) não seja suficiente para oxigenar os tecidos e células em cultura, uma vez que o Kla diminui. Para que o Pf seja transmitido a todo o volume operacional do fluido, é necessário que o estado estacionário (EE) seja alcançado na referida operação, e isso leva muito tempo, o que implica em um custo elevado.

A melhor forma de combinar positivamente estes efeitos hidrodinâmicos opostos; Ou seja: diminuir Pm e aumentar Pf é otimizar Dd. Isto é conhecido como potência de mistura ideal (Pe) e é alcançado de duas maneiras:

A primeira alternativa minimiza a potência de mistura necessária e maximiza a potência do fluido, fazendo melhor uso do gradiente de mistura. O segundo aumenta a potência de mistura e a potência do fluido, mas também a potência necessária e desperdiça o gradiente de mistura e difusão.

Uso de Baffles: são uma melhoria amplamente utilizada, pois podem ser facilmente instalados em sistemas de agitação, reduzem (desviam) a turbulência causada pelas pás ou pás do impulsor, quebram (desintegram) os aglomerados de células e micélios que se formam nas respectivas culturas e melhoram a eficiência da mistura. A proporção ideal entre o diâmetro do defletor (Db ou J) e o diâmetro do tanque (Dt) é: Db/Dt = 1/10–1/12. O número indicado de chicanas é 4 para sistemas moderadamente agitados e 6 para sistemas turbulentos.

Sistemas de troca de calor

A transferência de calor é um processo no qual a energia é trocada na forma de calor entre diferentes corpos ou entre diferentes partes do mesmo corpo que estão em temperaturas diferentes. O calor é transferido por uma combinação de dois ou mais destes três processos: convecção, condução ou radiação. Um dos mecanismos térmicos (processo) costuma predominar sobre os outros dois; também é possível que todos os três processos ocorram simultaneamente. A condução é o processo dominante em trocadores de calor de casco e tubos e tubos bobinados. Embora o mecanismo exato de condução não seja compreendido, sabe-se que ele se deve ao movimento (energia cinética) dos elétrons livres que se movem pela rede cristalina do sólido e transportam energia quando há diferença de temperatura (gradiente).

Lei de Fourier: J = KδT/δx Onde J = densidade de corrente de energia (J/m²s); K = condutividade térmica (constante característica do material).

A taxa de condução de calor (J) através de um corpo sólido (medida por unidade de seção transversal) é diretamente proporcional ao negativo do gradiente de temperatura que existe nesse corpo.

Tabela de condutividades térmicas e propriedades de metais[10]​.

As unidades das grandezas são expressas no Sistema Internacional de Unidades de Medida.

Cálculo da resistência térmica

Para calcular a resistência térmica é necessário transformar as equações que modelam os diferentes mecanismos de transferência de calor para que apresentem a seguinte forma: (Ta - Tb) / Ponto Q = expressão matemática = Rth.

A expressão da resistência térmica Rth é diferente em cada sistema e depende do mecanismo de transferência.

Nestes casos é necessário distinguir entre as diferentes geometrias que aparecem em cada elemento resistivo; as configurações geométricas mais comuns: parede plana, parede cilíndrica e parede esférica.

Trocadores de calor

Um trocador de calor é um dispositivo projetado para transferir calor por um mecanismo de convecção mista entre o filme de um líquido processado (meio de cultura) e a parede de um sólido metálico, seguido pela condução do calor transferido para a área da seção transversal do sólido metálico (tubo ou placa) e novamente a transferência de calor por convecção da parede do sólido metálico para outro fluido processado (água).

Como pode ser visto nas figuras, existem várias maneiras de projetar um trocador de calor.

Acima: uma bobina é um tubo metálico responsável pela troca de calor; O refrigerante coleta (absorve) ou transmite calor.

Abaixo: uma camisa ou jaqueta é um dispositivo fechado de troca de calor; enquanto um regenerador de calor é um dispositivo aberto.

Em todos os casos, o mecanismo misto de troca térmica é a convecção que conduz calor entre sólidos metálicos estáticos e superfícies fluidas móveis.

Trocadores de tubos:.

Como pode ser visto na figura, existem duas configurações para a direção do fluxo de fluido:

a) Fluxo paralelo: os dois fluidos entram pela mesma extremidade e fluem na mesma direção.

b) Contrafluxo: os fluidos entram em extremidades opostas e também fluem em direções opostas.

Num permutador de calor de fluxo paralelo, a temperatura de saída do fluido frio nunca pode ser superior à temperatura de saída do fluido quente.

Num trocador de calor de contrafluxo, a temperatura de saída do fluido frio pode ser superior à temperatura de saída do fluido quente.

O caso limite ocorre quando a temperatura de saída do fluido frio é igual à temperatura de entrada do fluido quente. A temperatura de saída do fluido frio nunca pode ser superior à temperatura de entrada do fluido quente.

Como pode ser visto na figura, em trocadores de calor compactos os dois fluidos fluem em direções ortogonais entre si (90°). Esta configuração de fluxo é chamada de fluxo cruzado e é classificada com base na mistura:

a) Escoamento cruzado misto: um dos fluidos flui livremente em direção ortogonal ao outro sem restrições;

b) Fluxo cruzado não misturado: as placas são dispostas de forma a guiar o fluxo de um dos fluidos em direção ortogonal ao outro sem mistura.

Conforme pode ser visto na figura, os trocadores de casco e tubos são classificados de acordo com:

a) Número de passos no casco;

b) Número de passagens pelos tubos.